第七章 诱变育种

第七章诱变育种诱变育种是利用理化因素诱发变异，再通过选择而培育新品种的育种方法。

第一节诱变育种的成就及特点一、植物辐射诱变育种的主要成就1.诱变育种历史①1927年，Muller在第三次国际遗传学大会论述X-射线诱发果蝇产生大量变异，提出诱发突变改良植物。

②之后，Stadler在玉米和大麦上首次证明X射线可以诱发突变。

③Nilsson-Ehle (1930)利用X射线辐照获得了茎秆坚硬、穗型紧密、直立型的有实用价值的大麦突变体。

④1934年，Tollenear利用X射线育成了第一个烟草突变品种—Chlorina，并在生产上得到了推广。

⑤1948年，印度利用X射线诱变育成抗干旱的棉花品种。

诱变源不断丰富和改进，从早期的紫外线、X-射线到r射线、ß射线、中子和各种化学诱变剂新中国第一个五年科学技术规划中，利用原子能被列为重点发展项目之一。

○11957年，中国农业科学院成立了我国第一个原子能农业利用研究室○21961年成立了原子能农业利用研究所，设立了辐射遗传育种研究室。

○3随后各省也相继成立有关研究机构，为广泛开展诱变育种奠定了良好的基础。

○420世纪60年代中期开始在水稻、小麦、大豆等主要作物上利用辐射诱变育成了新品种，在生产上得到了应用。

到1975年，已在8种作物上育成81个优良品种，种植面积约100万hm2。

（在各种作物上取得成功）2.诱变育种的主要成就辐射诱变育种已经对农业生产作出了巨大的贡献，主要表现在两个方面。

○1育成大量植物新品种a辐射诱变育种的植物种类已相当广泛，几乎遍及所有有经济价值和观赏价值的植物。

（课本）b我国诱变育成的作物品种数量居世界各国之首，种植面积也不断扩大。

辐射诱变育种在农业增产中做出了重要贡献。

（课本）○2提供大量优异的种质资源a辐射诱变可使作物产生很多变异，这些变异就是新的种质资源，可供育种利用。

（课本）b将辐射诱变产生的优良突变体作为亲本用于选育杂交品种是诱变育种的另一用途。

二、诱变育种的特点1.提高突变率，扩大突变谱○1一般诱变率在0.1％左右，但利用多种诱变因素可使突变率提高到3％，比自然突变高出100倍以上，甚至达1000倍。

○2人工诱发的变异范围较大，往往超出一般的变异范围，甚至是自然界尚未出现或很难出现的新基因源。

2.改良单一性状比较有效，同时改良多个性状较困难○1一般点突变都是使某一个基因发生改变，所以可以改良推广品种的个别缺点，但同时改良多个性状较困难。

实践证明，诱变育种可以有效地改良品种的早熟、矮秆、抗病和优质等单一性状。

○2诱变育种对二倍体的自花授粉作物较为有利，如果是多倍体或无性繁殖作物则收效较少。

3.性状稳定快，育种年限短诱发的变异大多是一个主基因的改变，因此稳定较快，一般经3—4代即可基本稳定，有利于较短时间育成新品种。

4.诱发突变的方向和性质尚难掌握诱变育种很难预见变异的类型及突变频率。

虽然早熟性、矮秆、抗病、优质等性状的突变频率较高，但其他有益的变异很少，必须扩大诱变后代群体，以增加选择机会，这样就比较花费人力和物力。

第二节常用物理诱变剂及其处理方法一、物理诱变剂的类别与性质很多因素都可以诱发植物发生突变，这些因素统称为诱变剂。

典型的物理诱变剂是不同种类的射线。

育种工作者常用的是紫外线、X射线、γ射线和中子等。

(一)紫外线特点：波长较长(200～390nm)、能量较低的低能电磁辐射，不能使物质发生电离，故属非电离辐射。

用途：紫外线对组织穿透力弱，只适用于照射花粉、孢子等，多用于微生物研究。

(二)X射线特点：X射线是一种核外电磁辐射。

X射线发射出的光子波长约0.005-1nm。

X射线的波长能量，对组织的穿透力和电离能力决定于X光机的工作电压和靶材料的金属性质。

一般育种中常用硬X射线，应用铅板作防护。

(三)γ射线γ射线是核内电磁辐射。

与X射线相比，γ射线波长更短、能量更高、穿透力更强。

γ光子波长<0.001nm，能量可达几百万电子伏，可穿入组织很多厘米，防护要求用铅或水泥墙。

γ射线是目前辐射育种中最常用的诱变剂。

1．γ射线放射源γ射线由放射性元素产生。

现在农业上常用的γ源有两种：钴60(60Co)和铯137(137Cs)。

（比较）(1)发生：60Co：中子轰击金属钴。

137Cs：由铀裂变产生。

(2) 能量：60Co放射的γ射线有两种能量：1.33MeV和1.17MeV；137Cs：0.66MeV。

(3)半衰期：60Co的半衰期为5.3年，137CS为30年。

与60Co相比。

2．γ辐射装置：常用的γ辐射装置有γ照射室、γ圃、γ温室和人工气候照射室(图7—2)。

(1) γ照射室。

分辐照控制室、迷道和照射室三部分。

控制室内的装置有升降装置、升降控制装置、安全报警装置、剂量监测装置、电视监测装置等；迷道为S型、C型和L型，有单道和双道两种形式，至少有三个拐弯以降低射线能量；照射室内有一贮源井，分水井和干井两种，深度根据辐射源的强度而定。

γ照射室一般采用的源强度在几千居里(Ci)至几万Ci，照射量率从几个Gy／min至几千百Gy／min。

(2) 照射圃(或称钴圃、γ圃、铯圃)。

照射圃是安装在实验田中的辐射装置，特点是可以在作物的某一生育期进行慢性照射。

实验田周围多建有高的防护墙、防护堤以及利用特殊的地形，如山区的凹地等进行防护和屏蔽，照射完毕，钴源降入下，圃内达到容许水平。

我国四川省农业科学院原子能所在成都也建有一小钴圃(图7-C)。

(3) γ温室、人工气候辐照装置。

γ源安装在温室或人工气候室内，在人工气候条件下，可对生物材料进行急性照射或慢性照射(图7-B)。

(四)粒子辐射与以发射光子的电磁辐射不同(光子无静止质量且传播速度不变)，粒子辐射是由具有静止质量的粒子组成。

粒子辐射分带电粒子和不带电粒子2种。

1．中子（不带电粒子）特点：①中性粒子，不易和电子发生能量转移作用，质量大，有强的穿透能力；②危险性很大。

中子可以自由通过重金属元素，能穿过几十厘米厚的铅板，中子防扩层采用石蜡一类含氢原子多的物质（如水和石蜡）。

分类：中子按其能量可分为：热中子、慢中子、中能中子、快中子和超快中子。

发射源：①反应堆中子源；②加速器中子源；③同位素中子源(1) 反应堆中子源。

原子裂变时会释放出中子(快中子)，能量不一致，多数在0.2M～20MeV能级范围,又称裂变中子。

裂变中子通过碳或氢一类减速剂，使能量减少至0.025MeV，变为热中子。

反应堆引出的中子还混有大量γ射线，所以反应堆中子能谱是混合能谱，中子剂量测不准，照射保证率低，重复性差，不宜作研究用。

(2) 加速器中子源。

利用各种加速器使带电粒子获得较高能量轰击某些靶核，以引起发射中子的核反应(单能快中子)。

由加速器产生的中子的特点是：①强度高，单能谱，剂量准确适于研究用。

②不运行时没有放射性。

③造价较高，大量照射收费昂贵。

目前我国辐射育种中所采用的大部分为加速器中子源。

(3)同位素中子源。

利用放射性同位素核衰变时放出一定能量的射线轰击靶物质，产生发射中子的核反应。

①(α，n)中子源(主要用226Ra(镭)，210Po(钋)，N1Am(镅)产生的粒子去轰击铍(Be)产生，中子的产额最高，主要)②(γ，n)，中子源的中子产额低，很难用于诱变，但因小型便于运输，可作为流动中子源，进行巡回照射。

③锎(252C f)自发裂变中子源，是最近发展起来的一种新型的超小型强中子源。

这种中子源寿命较长，中子产额高。

今后的辐射育种中可能得到实际应用。

2．带电粒子辐射α射线：①由天然或人工的放射性同位素衰变产生。

②它是带正电的粒子束，由两个质子和两个中子组成，也就是氦的原子核，用4/2He表示。

③穿透力弱，电离密度大是α射线的特点。

射线在空气中的射程只有几厘米，在组织中甚至只能渗入几百微米(μm)，一张薄纸就能将α射线挡住。

另外，④α射线电离能力强，能引起极密集电离。

所以α射线作为外照射源并不重要，但如引人生物体内，作为内照射源时，对有机体内产生严重的损伤，诱发染色体断裂的能力很强。

β射线：①由电子或正电子组成的射线束，它可以从加速器中产生，也可以由放射性同位素蜕变产生。

②β粒子静止质量小，速度又较快，所以与α粒子相比，β粒子的穿透力较大，而电离密度较小。

β射线在组织中一般能穿透几个毫米，③所以在作物育种中往往用能产生β射线的放射性同位素溶液来浸泡处理材料，这就是内照射。

(2P、35S、14C和131I)④它们能产生和X、γ射线相仿的生物学效应。

(五)其他物理诱变剂1．电子束利用高能电子束进行辐射育种，具有M1生物损伤轻，M2诱变效率高的特点。

2．激光它具有亮度高，单色性、方向性和相干性好的特点。

它也是一种低能的电磁辐射，在辐射诱变中主要利用波长为200-1 000nm的激光。

激光引起突变的机理，是由于光效应、热效应、压力效应、电磁效应，或者是四者共同作用引发的突变，至今还不清楚。

为此激光育种尚未得到国外同行的认可。

3．离子注入20世纪80年代中期中国科学院等离子体物理研究所。

优点是对①植物损伤轻、突变率高、突变谱广，②而且由于离子注入的高激发性③剂量集中和可控性，因此有一定的诱变育种应用潜力。

(六)航天搭载航天搭载(航天育种或太空育种)是利用返回式卫星进行农作物新品种选育的一种方法。

原理：利用空间环境技术提供的微重力、高能粒子、高真空、缺氧和交变磁场等物理诱变因子进行诱变和选择育种研究。

特点：与传统辐射育种相比，①航天搭载育种具有诱变作用强、②变异幅度大和③有益变异多等优点，可从中获得传统育种方法难以获得罕见的种质材料；④因航天搭载育种费用较贵，进行航天搭载育种的国家和单位不多。

⑤其诱变因素、诱变作用机理和遗传特点等还有待于深入研究。

二、物理诱变剂处理方法(一)诱变处理的材料植物各个部位都可以用适当的方法进行诱变处理，只是有的器官和组织容易处理，有的处理比较困难。

最常用的是种子、花粉、子房、营养器官以及愈伤组织等。

1．种子有性繁殖植物最常用的处理材料是种子。

它的优点是：①操作方便、能大量处理、便于运输和贮藏。

②种子对环境适应能力强，可以在极度干燥、高温、低温或真空以及存在氮气或氧气等条件下进行处理，适于进行诱变效应等研究。

缺点：是所需剂量较大，要求强度大的放射源。

2．绿色植株优点：①可以进行整体照射，在γ圃、γ温室或有屏蔽的人工气候室内进行室内处理。

②还可以局部照射，照射花序、花芽或生长点。

③可以在整个生育过程连续或者选择性的照射。

3．花粉处理花粉的优点是不会形成嵌合体，花粉受处理后一旦发生突变，雌雄配子结合为异质合子，由合子分裂产生的细胞都带有突变。

缺点：有些作物花粉量较少不易采集，花粉存活时间较短，要求处理花粉时在较短时间内完成。

4．子房可引起卵细胞突变，还可以诱发孤雌生殖，此法适合对雄性不育植株。